ArrayList 简单介绍

mac2025-02-12 10

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【ArrayList 简单介绍】

大家好，我是IT修真院北京分院第27期的JAVA学员，一枚正直纯洁善良的java程序员。

今天给大家分享一下，修真院官网Java任务10，深度思考中的知识点———ArrayList 简单介绍

1.背景介绍概括的说，ArrayList 是一个动态数组，它是线程不安全的，允许元素为null。其底层数据结构依然是数组，它实现了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable接口，其中RandomAccess代表了其拥有随机快速访问的能力，ArrayList可以以O(1)的时间复杂度去根据下标访问元素。

因其底层数据结构是数组，所以可想而知，它是占据一块连续的内存空间（容量就是数组的length），所以它也有数组的缺点，空间效率不高。

由于数组的内存连续，可以根据下标以O1的时间读写(改查)元素，因此时间效率很高。

当集合中的元素超出这个容量，便会进行扩容操作。扩容操作也是ArrayList 的一个性能消耗比较大的地方，所以若我们可以提前预知数据的规模，应该通过public ArrayList(int initialCapacity) {}构造方法，指定集合的大小，去构建ArrayList实例，以减少扩容次数，提高效率。

或者在需要扩容的时候，手动调用public void ensureCapacity(int minCapacity) {}方法扩容。不过该方法是ArrayList的API，不是List接口里的，所以使用时需要强转: ((ArrayList)list).ensureCapacity(30);

当每次修改结构时，增加导致扩容，或者删，都会修改modCount。

2.知识剖析构造方法 //默认构造函数里的空数组 private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

//存储集合元素的底层实现：真正存放元素的数组 transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access //当前元素数量 private int size; //默认构造方法 public ArrayList() { //默认构造方法只是简单的将空数组赋值给了elementData this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; } //空数组 private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {}; //带初始容量的构造方法 public ArrayList(int initialCapacity) { //如果初始容量大于0，则新建一个长度为initialCapacity的Object数组. //注意这里并没有修改size(对比第三个构造函数) if (initialCapacity > 0) { this.elementData = new Object[initialCapacity]; } else if (initialCapacity == 0) {//如果容量为0，直接将EMPTY_ELEMENTDATA赋值给elementData this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; } else {//容量小于0，直接抛出异常 throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity); } } //利用别的集合类来构建ArrayList的构造函数 public ArrayList(Collection<? extends E> c) { //直接利用Collection.toArray()方法得到一个对象数组，并赋值给elementData elementData = c.toArray(); //因为size代表的是集合元素数量，所以通过别的集合来构造ArrayList时，要给size赋值 if ((size = elementData.length) != 0) { // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652) if (elementData.getClass() != Object[].class)//这里是当c.toArray出错，没有返回Object[]时，利用Arrays.copyOf 来复制集合c中的元素到elementData数组中 elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class); } else { //如果集合c元素数量为0，则将空数组EMPTY_ELEMENTDATA赋值给elementData // replace with empty array. this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; } }

小结一下，构造函数走完之后，会构建出数组elementData和数量size。

这里大家要注意一下Collection.toArray()这个方法，在Collection子类各大集合的源码中，高频使用了这个方法去获得某Collection的所有元素。

关于方法：Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class)，就是根据class的类型来决定是new 还是反射去构造一个泛型数组，同时利用native函数，批量赋值元素至新数组中。如下：

public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) { @SuppressWarnings("unchecked") //根据class的类型来决定是new 还是反射去构造一个泛型数组 T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class) ? (T[]) new Object[newLength] : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength); //利用native函数，批量赋值元素至新数组中。 System.arraycopy(original, 0, copy, 0, Math.min(original.length, newLength)); return copy; }

值得注意的是，System.arraycopy也是一个很高频的函数，大家要留意一下。

public static native void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length);

常用API 1 增每次 add之前，都会判断add后的容量，是否需要扩容。

public boolean add(E e) { ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! elementData[size++] = e;//在数组末尾追加一个元素，并修改size return true; } private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;//默认扩容容量 10 private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) { //利用 == 可以判断数组是否是用默认构造函数初始化的 if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); }

ensureExplicitCapacity(minCapacity); }

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) { modCount++;//如果确定要扩容，会修改modCount

// overflow-conscious code if (minCapacity - elementData.length > 0) grow(minCapacity);

}

//需要扩容的话，默认扩容一半 private void grow(int minCapacity) { // overflow-conscious code int oldCapacity = elementData.length; int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//默认扩容一半 if (newCapacity - minCapacity < 0)//如果还不够，那么就用能容纳的最小的数量。（add后的容量） newCapacity = minCapacity; if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) newCapacity = hugeCapacity(minCapacity); // minCapacity is usually close to size, so this is a win: elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);//拷贝，扩容，构建一个新数组， }

public void add(int index, E element) { rangeCheckForAdd(index);//越界判断如果越界抛异常

ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index); //将index开始的数据向后移动一位 elementData[index] = element; size++;

}

public boolean addAll(Collection<? extends E> c) { Object[] a = c.toArray(); int numNew = a.length; ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount //确认是否需要扩容 System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);// 复制数组完成复制 size += numNew; return numNew != 0; }

public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) { rangeCheckForAdd(index);//越界判断

Object[] a = c.toArray(); int numNew = a.length; ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount //确认是否需要扩容 int numMoved = size - index; if (numMoved > 0) System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew, numMoved);//移动（复制)数组 System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);//复制数组完成批量赋值 size += numNew; return numNew != 0;

}

总结： add、addAll。先判断是否越界，是否需要扩容。如果扩容，就复制数组。然后设置对应下标元素值。

值得注意的是： 1 如果需要扩容的话，默认扩容一半。如果扩容一半不够，就用目标的size作为扩容后的容量。 2 在扩容成功后，会修改modCount

2 删 public E remove(int index) { rangeCheck(index);//判断是否越界 modCount++;//修改modeCount 因为结构改变了 E oldValue = elementData(index);//读出要删除的值 int numMoved = size - index - 1; if (numMoved > 0) System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);//用复制覆盖数组数据 elementData[–size] = null; // clear to let GC do its work //置空原尾部数据不再强引用，可以GC掉 return oldValue; } //根据下标从数组取值并强转 E elementData(int index) { return (E) elementData[index]; }

//删除该元素在数组中第一次出现的位置上的数据。如果有该元素返回true，如果false。 public boolean remove(Object o) { if (o == null) { for (int index = 0; index < size; index++) if (elementData[index] == null) { fastRemove(index);//根据index删除元素 return true; } } else { for (int index = 0; index < size; index++) if (o.equals(elementData[index])) { fastRemove(index); return true; } } return false; } //不会越界不用判断，也不需要取出该元素。 private void fastRemove(int index) { modCount++;//修改modCount int numMoved = size - index - 1;//计算要移动的元素数量 if (numMoved > 0) System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);//以复制覆盖元素完成删除 elementData[–size] = null; // clear to let GC do its work //置空不再强引用 }

//批量删除 public boolean removeAll(Collection<?> c) { Objects.requireNonNull©;//判空 return batchRemove(c, false); } //批量移动 private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) { final Object[] elementData = this.elementData; int r = 0, w = 0;//w 代表批量删除后数组还剩多少元素 boolean modified = false; try { //高效的保存两个集合公有元素的算法 for (; r < size; r++) if (c.contains(elementData[r]) == complement) // 如果 c里不包含当前下标元素， elementData[w++] = elementData[r];//则保留 } finally { // Preserve behavioral compatibility with AbstractCollection, // even if c.contains() throws. if (r != size) { //出现异常会导致 r !=size , 则将出现异常处后面的数据全部复制覆盖到数组里。 System.arraycopy(elementData, r, elementData, w, size - r); w += size - r;//修改 w数量 } if (w != size) {//置空数组后面的元素 // clear to let GC do its work for (int i = w; i < size; i++) elementData[i] = null; modCount += size - w;//修改modCount size = w;// 修改size modified = true; } } return modified; }

从这里我们也可以看出，当用来作为删除元素的集合里的元素多余被删除集合时，也没事，只会删除它们共同拥有的元素。

小结： 1 删除操作一定会修改modCount，且可能涉及到数组的复制，相对低效。 2 批量删除中，涉及高效的保存两个集合公有元素的算法，可以留意一下。

3 改不会修改modCount，相对增删是高效的操作。

public E set(int index, E element) { rangeCheck(index);//越界检查 E oldValue = elementData(index); //取出元素 elementData[index] = element;//覆盖元素 return oldValue;//返回元素 }

4 查不会修改modCount，相对增删是高效的操作。

public E get(int index) { rangeCheck(index);//越界检查 return elementData(index); //下标取数据 } E elementData(int index) { return (E) elementData[index]; }

5 清空，clear 会修改modCount。

public void clear() { modCount++;//修改modCount // clear to let GC do its work for (int i = 0; i < size; i++) //将所有元素置null elementData[i] = null;

size = 0; //修改size

}

6 包含 contain //普通的for循环寻找值，只不过会根据目标对象是否为null分别循环查找。 public boolean contains(Object o) { return indexOf(o) >= 0; } //普通的for循环寻找值，只不过会根据目标对象是否为null分别循环查找。 public int indexOf(Object o) { if (o == null) { for (int i = 0; i < size; i++) if (elementData[i]==null) return i; } else { for (int i = 0; i < size; i++) if (o.equals(elementData[i])) return i; } return -1; }

7 判空 isEmpty() public boolean isEmpty() { return size == 0; }

8 迭代器 Iterator. public Iterator iterator() { return new Itr(); } /**

An optimized version of AbstractList.Itr */ private class Itr implements Iterator { int cursor; // index of next element to return //默认是0 int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such //上一次返回的元素 (删除的标志位) int expectedModCount = modCount; //用于判断集合是否修改过结构的标志

public boolean hasNext() { return cursor != size;//游标是否移动至尾部 }

@SuppressWarnings(“unchecked”) public E next() { checkForComodification(); int i = cursor; if (i >= size)//判断是否越界 throw new NoSuchElementException(); Object[] elementData = ArrayList.this.elementData; if (i >= elementData.length)//再次判断是否越界，在我们这里的操作时，有异步线程修改了List throw new ConcurrentModificationException(); cursor = i + 1;//游标+1 return (E) elementData[lastRet = i];//返回元素，并设置上一次返回的元素的下标 }

public void remove() {//remove 掉上一次next的元素 if (lastRet < 0)//先判断是否next过 throw new IllegalStateException(); checkForComodification();//判断是否修改过

try { ArrayList.this.remove(lastRet);//删除元素 remove方法内会修改 modCount 所以后面要更新Iterator里的这个标志值 cursor = lastRet; //要删除的游标 lastRet = -1; //不能重复删除所以修改删除的标志位 expectedModCount = modCount;//更新判断集合是否修改的标志， } catch (IndexOutOfBoundsException ex) { throw new ConcurrentModificationException(); }

} //判断是否修改过了List的结构，如果有修改，抛出异常 final void checkForComodification() { if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); } }

3.常见问题 Vector底层也是数组，与ArrayList最大的区别就是：同步(线程安全) Vector是同步的，我们可以从方法上就可以看得出来

如果非要实现同步呢？

4.解决方案在要求非同步的情况下，我们一般都是使用ArrayList来替代Vector的了~ 如果想要ArrayList实现同步，可以使用Collections的方法：List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList(…));，就可以实现同步了~ ArrayList在底层数组不够用时在原来的基础上扩展0.5倍，Vector是扩展1倍

5.编码实战详见视频

6.扩展思考 ARRAYLIST集合加入1万条数据，应该怎么提高效率

ArrayList的默认初始容量为10，要插入大量数据的时候需要不断扩容，而扩容是非常影响性能的。因此，现在明确了10万条数据了，我们可以直接在初始化的时候就设置ArrayList的容量！这样就可以提高效率

参考文献 List集合就这么简单【源码剖析】：

https://segmentfault.com/a/1190000014240704

更多讨论 Q1：说出ArrayList,LinkedList的存储性能和特性 A1：ArrayList的底层是数组，LinkedList的底层是双向链表。 ArrayList它支持以角标位置进行索引出对应的元素(随机访问)，而LinkedList则需要遍历整个链表来获取对应的元素。因此一般来说ArrayList的访问速度是要比LinkedList要快的 ArrayList由于是数组，对于删除和修改而言消耗是比较大(复制和移动数组实现)，LinkedList是双向链表删除和修改只需要修改对应的指针即可，消耗是很小的。因此一般来说LinkedList的增删速度是要比ArrayList要快

Q2：什么情况下你会使用ArrayList？什么时候你会选择LinkedList？ A2：多数情况下，当你遇到访问元素比插入或者是删除元素更加频繁的时候，你应该使用ArrayList。另外一方面，当你在某个特别的索引中，插入或者是删除元素更加频繁，或者你压根就不需要访问元素的时候，你会选择LinkedList。这里的主要原因是，在ArrayList中访问元素的最糟糕的时间复杂度是”1″，而在LinkedList中可能就是”n”了。在ArrayList中增加或者删除某个元素，通常会调用System.arraycopy方法，这是一种极为消耗资源的操作，因此，在频繁的插入或者是删除元素的情况下，LinkedList的性能会更加好一点。

Q3：如何复制某个ArrayList到另一个ArrayList中去？写出你的代码？ A3：

下面就是把某个ArrayList复制到另一个ArrayList中去的几种技术：

使用clone()方法，比如ArrayList newArray = oldArray.clone();

使用ArrayList构造方法，比如：ArrayList myObject = new ArrayList(myTempObject);

使用Collection的copy方法。

注意1和2是浅拷贝(shallow copy)。

今天的分享就到这里啦，欢迎大家点赞、转发、留言、拍砖~

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